1.4. Внешние силы и их классификация

Все конструкции машин и инженерные сооружения в процессе эксплуатации находятся в постоянном взаимодействии между собой и с внешней средой. Силы взаимодействия отдельных элементов с внешней средой или соседними элементами называются внешними силами. Если они известны в начальной стадии расчета, то их называют активными силами или нагрузками, если не известны – их называют реактивными силами или просто реакциями.

На основании аксиомы связей реакции связей можно рассматривать как внешние силы. Внешние силы можно классифицировать по нескольким основным признакам.

1. По способу передачи на тело:

а) поверхностные силы, которые передаются на тело через поверхность (давление газов в цилиндрах, давление грунта на нож скрепера, грейдера или бульдозера);

б) объемные силы, которые передаются на тело через объем (собственный вес, магнитные силы, силы инерции);

в) распределенные силы, которые непрерывно распределены по некоторой части поверхности. Их величина задается интенсивностью;

г) сосредоточенные силы, которые передаются на тело по небольшой части поверхности. Для упрощения их действие заменяют действием равнодействующей, которую называют сосредоточенной силой. Аналогично вводится понятие сосредоточенной пары сил или момента.

2. По характеру действия во времени:

а) статические – силы, медленно изменяющиеся во времени, не вызывающие существенных сил инерции;

б) динамические – силы, быстро изменяющиеся во времени, вызывающие большие силы инерции, которые необходимо учитывать в расчетах. Динамические силы могут быть ударными, внезапно приложенными и вибрационными;

в) повторно-переменные – силы, действия которых периодически повторяются многократно.

3. По длительности действия во времени:

а) постоянные силы, которые действуют на элемент конструкции в процессе эксплуатации (собственный вес, вес оборудования и т. п.);

б) временные силы, которые действуют на элемент конструкции в течение определенного промежутка времени (вес поезда или автомобиля на мосту, вес монтажного оборудования и т. д.).

1.5. Основные гипотезы и принципы механики материалов

Для упрощения решения практических задач в механике материалов приняты следующие основные упрощающие гипотезы, касающиеся в основном свойств материала.

Гипотеза сплошности. Предполагается, что материал заполняет форму тела сплошным образом и эта сплошность не нарушается под действием внешних воздействий и деформации тела.

Гипотеза изотропности и однородности. В окрестности любой точки тела физико-механические свойства материала одинаковы во всех направлениях и не изменяются при переходе к другим точкам и по всему объему тела.

Гипотеза идеальной упругости и линейности деформирования. Деформации тела прямо пропорциональны действующим нагрузкам и полностью исчезают после снятия нагрузки.

Гипотеза малых деформаций. В механике материалов рассматривают только перемещения и деформации, величины которых малы по сравнению с размерами деформируемого тела. Это дает возможность пренебрегать изменением расположения внешних нагрузок при деформировании тел и составлять уравнения равновесия статики без учета этих изменений.

Приведем также общие принципы, на которых базируются расчеты в механике материалов.

Принцип независимости действия сил. Основывается на гипотезах об идеальной упругости материала и малых деформациях. Согласно этому принципу деформации и перемещения в любой точке тела, вызванные системой нагрузок, равны сумме деформаций и перемещений, вызванных каждой нагрузкой отдельно, и не зависят от порядка их приложения.

Принцип Сен-Венана. Предполагает, что если к телу приложена самоуравновешивающаяся система сил, то напряжения и деформации быстро убывают при удалении от места приложения нагрузки. Согласно этому принципу способ приложения нагрузки влияет только на деформацию тела в малом объеме, примыкающем к месту приложения нагрузки, и не влияет на деформацию тела вдали от точек ее приложения.

Принцип Сен-Венана широко используется при решении практических задач.

Принцип отвердения. Равновесие тела не нарушится, если предположить, что оно является абсолютно твердым. В соответствии с этим принципом при составлении уравнений равновесия можно пренебрегать деформациями тела.

На этих основных гипотезах и принципах базируется наука о механике материалов.